JP3561439B2 - 変位測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象面上に照射された光で形成される照射点を一定の間隔で走査させることにより、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置及び方法に係り、特にレンズアレイの設置位置,方向,焦点距離のばらつきによる誤差を補正して変位量を正確に得ることができる変位測定装置及び方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図13は、変位測定装置を示す概要図である。この変位測定装置50は、投光器51からレーザ光を測定対象物52の表面に照射し、その照射点Pの像Kを結像レンズ53によって受光素子54の受光面上に結像させる三角測量方法により変位を測定する。
【0003】
この受光素子54は、受光面上の結像点Kの縦方向(投光器51のビームと結像レンズ53の光軸とで形成される面と同じ方向)の位置に対応した信号を出力するように構成されており、照射点PのZ方向の変位に対する結像点Kの移動軌跡に受光面が一致する角度に配置されている。
【0004】
この変位測定装置50に対して測定対象物52を図中Z方向に移動させると、照射点Pも測定対象物52の移動に伴ってZ方向に動き(照射点P’又は照射点P”)、受光素子54の受光面の結像点Kの位置がこれに対応するように移動して(結像点K’又は結像点K”)、受光素子54からの信号も結像点Kの位置に応じて変化する。この信号の変化量から、測定対象物52のZ方向の位置を検出することができる。
【0005】
次に、図14は、走査型の変位測定装置60を示す斜視図である。
この走査型の変位測定装置60の投光系では、光源61から放射されるビームを振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置62によって一定角度内の範囲で偏向させ、この偏向されたビームをレンズ63によってその光軸が一平面上で平行に移動(X軸方向に移動)するビームにする。そして、そのビームを測定台71上に載置されている測定対象物70の表面70aに所定の入射角度により照射し、その照射点Pを直線的に往復走査又は片道走査する。
【0006】
照射点Pを走査されたビームは、入射角度と同じ角度で受光系に正反射され、その照射点Pの像を第一円筒面レンズ(シリンドリカルレンズ)64及び第2円筒面レンズ65によって受光素子66の受光面66aに結像される。この変位測定装置60では、測定対象面70aが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Pで反射される光の殆どが、照射点Pを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射される。
このような装置60においては、測定対象物70のX軸方向の変位量をビームの走査で高速に得ることができる。また、測定台71はY軸方向に移動させることにより、X−Yの2次元における各照射点PにおけるZ方向の変位量を得ることができるようになる。
【0007】
しかし、従来の走査型の変位測定装置60では、受光系に円筒面レンズ64,65を用いているため、受光素子66の受光面66aの像が長円状にぼやけてしまう。これにより、受光素子66から出力される信号のS/N比が低下し、測定表面の変位を高い精度で測定することができないという問題点が生じた。
【0008】
図15は上記問題点を解決する装置を示す斜視図であり、図16は同側面図である。上記の受光系の構成が変更されている。即ち、円筒面レンズ64,65に変えて、複数の集光レンズ部からなるレンズアレイ72及び球面集束型の結像レンズ73を用いることにより上記弊害を除去しようとするものである。
【0009】
レンズアレイ72は、互いに等しい焦点距離f(例えば20mm)を有する複数(図示では6個)の球面集束型の集光レンズ72a〜72fがビームの走査方向に沿って一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。照射点Pからレンズアレイ72までの距離は焦点距離fとほぼ等しい。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
図15に記載した変位測定装置では、レンズアレイ72を形成する際に各集光レンズ72a〜72fの焦点距離fが各集光レンズ72a〜72fごとに異なる場合がある。また、組み立て時において集光レンズ72の設置位置、光軸の方向が一致しない場合がある。
【0011】
このため、レンズアレイ72を透過した光が受光素子66の受光面66aに結像されると、各集光レンズ72a〜72fごとに結像位置がばらついてしまう。したがって、このようなレンズアレイ72を用いた場合、測定対象面70aが理想的な平坦面であっても、測定結果は平坦にならない。
【0012】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであって、その目的とするところは、複数の集光レンズからなるレンズアレイを用いた際に生じる受光素子の受光面上での結像位置のばらつきにより発生する測定誤差を補正することにより高精度の変位測定を行える変位測定装置及び方法の提供にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
要するに、本発明の請求項1記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、光軸廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズと、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0014】
本発明の請求項2記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射光の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと前記結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
【0015】
また、請求項3記載のように、前記処理手段は、前記結像点の偏差を、基準対象物を用いて検出する偏差検出手段と、
前記偏差検出手段で検出された偏差を補正データとして格納保持する補正値記憶手段と、
測定対象面の変位量の測定時に前記補正値記憶手段に格納された補正データに基づき前記変位演算手段から出力された変位量を補正演算して出力する変位補正手段と、
を備えることとしてもよい。
【0016】
また、請求項4記載のように、前記照射点が走査される都度走査開始信号を出力する走査開始検出手段と、
前記走査開始検出手段の走査開始信号に基づき、現在の照射点の走査位置を計数する計数手段とを備え、
前記偏差検出手段は、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に前記検出された偏差を対応づけ補正データとして補正値記憶手段に格納保持させ、
前記変位補正手段は、前記変位演算手段から出力された変位量の信号を、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に対応する補正データを前記補正値記憶手段から読み出し補正演算して出力する構成としてもよい。
【0017】
本発明の請求項5記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
前記測定対象面での照射光の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする。
【0018】
本発明の請求項6記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射光の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記測定対象面での照射点の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記各受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする。
【0019】
本発明の請求項7記載の変位測定方法は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させて、受光素子の受光面上に結像点を形成させることにより、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする。
【0020】
本発明の請求項8記載の変位測定方法は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させ、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成される結像レンズアレイにより前記結像レンズごと構成される受光素子群の各受光素子の受光面上に結像点を形成させて、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記各受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする。
【0021】
本発明の請求項9記載の変位測定方法は、請求項7又は8のいずれかに記載の変位測定方法において、前記照射点の走査位置を、走査開始点を起点として時間を計数することにより刻時検出して前記偏差の検出用、及び前記補正演算用として用いることを特徴とする。
【0022】
上記構成によれば、図1,図2,図10,図11に示すように、測定対象物10Bの測定対象面10a上で走査された照射点Pは、集光レンズアレイ7(CA)の各集光レンズ7a〜7f(CA1,CA2,…,CAn)を通過し、結像レンズ8(FA1,FA2,…,FAm)介して測定光が受光素子9の受光面9a上に結像され、この走査方向の変位量を得ることができる。
各集光レンズ7a〜7fが有する偏差は、基準対象物10Aを用いて検出することができる。偏差検出手段25は、前記走査方向の各点の偏差を補正データとして補正値記憶手段27に格納保持させる。
変位補正手段26は、測定対象物10Bの測定時に、走査位置に対応する補正データを補正値記憶手段27から読み出し、測定された変位量をこの補正データで補正して出力する。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明の変位測定装置及び方法の第1実施の形態を説明する。図1は、集光レンズアレイ7を用いた走査型の変位測定装置1の概略斜視図、図2は同側面図である。
図示のように、この変位測定装置1は、三角測量の原理に基づき測定対象物10の測定対象面10aの変位を測定する。測定対象面10aが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Pで反射される光の殆どが、照射点Pを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射される。
【0024】
測定台11には、測定対象物10が載置される。測定対象物10としては、装置の校正モード時に載置され測定対象面10aが平坦な基準対象物(例えばブロックゲージ)10A、及び、測定モード時に測定対象として載置され、測定対象面10aに所定の変位を有する測定対象物10Bがある。
【0025】
この走査型の変位測定装置1の投光系2は、レーザダイオード等の光源3と、振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置4と、レンズ5で概略構成されている。光源3は、偏向装置4に対しレーザ光(照射光)を出射する。偏向装置4は、入射されたレーザ光を偏向させ、一定のストロークでレーザ光を往復あるいは片道走査する。
レンズ5は、偏向装置4により扇形に走査される照射光を、平行になるように収束させる。
【0026】
集光レンズアレイ7は、互いに等しい焦点距離f1(例えば20mm)を有する複数(図1では6個)の集光レンズ部7a〜7fが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。
【0027】
各集光レンズ7a〜7fは、投光系2から放射される照射光の走査幅寸法(30mm)内に複数個並ぶように、少なくともその並列方向に沿った幅dが走査幅より短い(例えば6mm)略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズ7a〜7fは、その光軸に直交する面が球面状に形成されており、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各光軸はそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。
【0028】
集光レンズアレイ7は、各集光レンズ7a〜7fの光軸が測定対象物10の表面10a上に走査される照射点P(移動軌跡PL)と交わるように配置されている。また、図2に示すように、集光レンズアレイ7は、その長手方向が照射点Pの移動軌跡PLと平行になるように配置されている。照射点Pから集光レンズアレイ7までの距離は焦点距離f1とほぼ等しくなる位置に配置されている。
【0029】
結像レンズ8は、照射点Pの走査幅より大きい径を有し、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。結像レンズ8は、集光レンズアレイ7からの測定光を収束して、受光素子9の受光面9a上に結像させる。
【0030】
受光素子(PSD)9は、図1に示すように、照射点Pから反射,散乱される測定光が結像される受光面9aを有する。この受光素子9の縦方向(移動軌跡PLと直交する方向)の両端には、それぞれ電極が設けられている。これらの電極からは、それぞれ結像点Kの位置に応じた電流が出力される。即ち、受光面9aの中央に結像点Kが位置すると、受光素子9の両端から同じ値の電流が出力される。結像点Kが縦方向に移動すると、近づいた方の電極からより多くの電流が出力され、遠ざかった電極からはより少ない電流が出力されるようになっている。なお、両電極から出力される電流の合計値は、結像点Kの位置にかかわらず同じである。
【0031】
図3は、変位測定装置の電気的構成を示すブロック図である。変位演算手段21は、クロック発生手段20から供給されるクロック信号Cに基づき動作して、受光素子9の出力に基づき測定対象物10の変位量を示す変位信号Dを出力する。この変位演算手段21における変位演算処理は、受光素子9の両電極から出力される電流信号A,Bを電圧信号に変換した後、各電圧信号を加算及び減算する。減算された信号値を加算された信号値で除算し、変位信号D(D1,D2)として処理手段24に出力する。
【0032】
走査開始検出手段22は、光源2から照射されるレーザ光を毎回走査開始する都度、単パルスの走査開始信号Sを計数手段23に出力する。
計数手段23は、カウンタで構成され、クロック信号Cと走査開始信号Sが入力される。計数手段23は走査開始信号Sが入力される都度、クロック信号Cに基づき計数値をカウント信号C’として出力する。
【0033】
処理手段24には偏差検出手段25,変位補正手段26,補正値記憶手段27が設けられる。
偏差検出手段25は、装置の校正モード時に動作して校正処理を実行する。この変位演算手段21には、あらかじめ形状が判っている滑らかな表面を持った基準対象物10A(例えばブロックゲージ)の測定対象面10aの変位信号(以下「校正用変位信号」と称す)D1及び計数手段23のカウント信号C’が入力される。そしてこの偏差検出手段25は、校正用変位信号D1をカウント信号C’に対応付けして補正値記憶手段27に記憶する。これにより、測定対象物10aを走査した際の各測定位置における校正用変位信号D1の値が対応して記憶される。
【0034】
補正値記憶手段27は、EEP,ROM,不揮発性RAM等を用いて構成されている。例えば、書き換え可能なROMに対し、校正用変位信号D1をカウント信号C’に対応するアドレスでテーブル化して格納保持させる。後述する測定モード時には、このROMに格納された内容をRAMに転送させて読み出しの高速化を図る構成とすることができる。
【0035】
変位補正手段26は、測定モード時に動作して校正された変位信号を出力する。この変位補正手段26は、変位演算手段21から測定しようとする測定対象物10Bの測定対象面10aの変位信号(以下「測定用変位信号」と称す)D2、及び計数手段23のカウント信号C’が入力される。なお、変位演算手段21が出力する上記校正用変位信号D1とこの測定用変位信号D2は、いずれも同一信号形態の変位信号であり、この実施形態では便宜上、モード別に異なる名称を附してある。
【0036】
そして、この変位補正手段26は、計数手段23のカウント信号C’に基づき、補正値記憶手段27(RAM)の対応するアドレスに格納されている校正用変位信号D1(補正用データE)を読み出す。そして、変位演算手段21から入力される測定用変位信号D2と校正用データEに基づき補正演算処理して補正された変位信号を出力する。この補正演算処理は、測定用変位信号D2から校正用データEを減算処理する。
【0037】
次に、上記構成の装置の動作を各モード別に説明する。図4は、校正モード時の処理内容を示すフローチャートである。
構成モード時には、まず、補正治具14により変位測定装置1及びブロックゲージ10Aの設定・調整を行う(ST1)。図5は校正モード時の装置の状態を示す正面図、図6は同側面図である。
【0038】
補正治具14は、図示のように水平な取付基準面Tとなる突き当てプレート15を有する。測定台11にブロックゲージ10Aを載置する。このとき、測定台11の表面(校正用基準面)11aとブロックゲージ10Aの測定対象面10aと取付基準面Tとが互いに平行になるように、変位測定装置1を上下又は回転させて調整する。次に、突き当てプレート15も変位測定装置1に突き当てて設置する。
【0039】
次に、変位測定装置1を校正モードで動作させる。そして、光源2からのレーザ光を偏向装置3で偏向させ、ブロックゲージ10Aの測定対象面10a上に照射させる(ST2)。照射点Pは直線的に走査され、移動軌跡PLを得る。この際、走査開始検出手段22はレーザ光の偏向(走査)が開始された都度、計数手段23に走査開始信号Sを出力する。
【0040】
照射点Pがブロックゲージ10Aの測定対象面10a上を直線的に走査されると、照射点Pからの測定光は入射角度と同じ角度で受光系6に正反射され、集光レンズアレイ7に入射される。
集光レンズアレイ7は光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズ7a〜7fの集合体であるから、各照射点Pからの測定光は、平行に収束され、結像レンズ8で絞られて受光面9a上に結像される(ST3)。
【0041】
ブロックゲージ10Aの測定対象面10aは平坦な精度を有しているため、測定対象面10a上のどの位置の照射点Pも、受光面9aの中央に結像されるはずである。しかし、実際にはこの結像点Kから得られる変位には、図7に示すような偏差が現れる。
この偏差は、集光レンズアレイ7の各集光レンズ7a〜7f毎にに焦点距離f1が異なっていたり、組み立て時における集光レンズアレイ7の設置位置,方向のばらつき等により生じる。ここで、tは各1つの集光レンズ7a〜7fの幅dに対応し走査時に通過する時間に相当する。
受光素子9の両端に設けられる電極からこの偏差に対応する電流信号が変位演算手段21に入力されて変位演算処理され、校正用変位信号D1として偏差検出手段25に出力される(ST4)。
【0042】
一方、走査開始信号Sとクロック信号Cが計数手段23に入力されると、クロックパルスを走査開始信号Sの入力時からカウントして行く(ST5)。このカウント信号C’は、偏差検出手段25に出力される。
【0043】
カウント信号C’は偏差検出手段25に入力され、C’1からC’nまでの各クロックパルス毎に校正用変位信号D1に対応付けされる。即ち、各測定点Pにおける校正用変位信号D1は、補正値記憶手段27にカウント値に対応したアドレス別にテーブル化されて記憶される(ST6)。補正値記憶手段27は、各アドレスにそれぞれ各測定点Pの校正用変位信号D1が格納される。この校正用変位信号D1は、上記偏差に相当する値となる。
【0044】
なお、照射点Pの走査時、走査開始信号Sを起点としてクロック信号Cに基づき、集光レンズアレイ7の各集光レンズ7a〜7fを通過する時期が予め設定されている。
【0045】
次に、図8は、測定モード時の処理内容を示すフローチャートである。
まず、測定しようとする測定対象物10Bを、測定台11に載置する(ST7)。次に変位測定装置1による測定を開始させる。なお、上記校正モード時、及びこの測定モード時のいずれにおいても、変位測定装置1の光学系の動作は同様であり、変位演算手段21は同様の変位演算処理を実行する。
【0046】
即ち、光源2から照射光を照射し、偏向装置3によって偏向された照射光が、測定台11上に載置されている測定対象物10Bの測定対象面10aに照射され、この照射点Pは直線的に走査される(ST8)。
このとき、走査開始検出手段22は、光源2からの照射点Pを走査開始する毎に計数手段23に走査開始信号Sを出力する。
【0047】
照射点Pは、偏向により照射点Pが測定対象物10Bの測定対象面10a上を走査される。この照射点Pは測定対象面10a上で反射されて集光レンズアレイ7で収束され、結像レンズ8で更に絞り込まれて受光素子9の受光面9aに結像される(ST9)。この測定時においても結像点Kから得られる変位には、集光レンズアレイ7の偏差(ブロックゲージ10Aの測定対象面10aで測定された偏差)を含む。
【0048】
図9は、集光レンズアレイ7の設置位置のばらつき等により生じる偏差を示すための図である。図9(a)は測定対象物10Bの測定対象面10aの形状が示されている。
図9(b)は、集光レンズアレイ7の各集光レンズ7a〜7fで生じる偏差を示す図である。図示の例ように、受光素子9の受光面9a上における結像点Kは各集光レンズ7a〜7f別にそれぞれ異なり、結像点Kから得られる変位には所定の偏差が生じる。
【0049】
ここで、受光素子9の両端に設けられる電極からこの偏差を含む電流信号A,Bが変位演算手段21に入力されて演算処理され、測定用変位信号D2として偏差検出手段25に出力される(ST10)。
【0050】
一方、走査開始信号Sとクロック信号Cが計数手段23に入力されると、各クロックパルスは、走査開始信号Sの入力時からカウントされる(ST11)。このカウント信号C’は、偏差検出手段25へ出力される。
【0051】
偏差検出手段25は、カウント信号C’の各クロックパルスC’1〜C’nに基づき、現在走査している照射点Pの位置を得て測定用変位信号D2に対応付けする(ST12)。また、補正値記憶手段27には、各アドレスにそれぞれ各測定点Pの校正用変位信号D1(偏差を示す補正データE)がテーブル形式で格納されている。
【0052】
そして、この偏差検出手段25は、補正値記憶手段27から測定用変位信号D2のカウント値C’と同一のカウント値(アドレス)に格納された補正データEを読み出す。そして、測定用変位信号D2からこの補正データEを減算処理する(ST13)。
図9(c)は、補正演算した後の測定対象物10Bの変位信号である。図示のように、補正データEにより補正演算することにより、集光レンズアレイ7の偏差を解消した変位信号を出力できるようになる。
【0053】
次に、本発明の第2実施の形態について説明する。本実施の形態においては、図10及び図11に示すような受光系31を有する変位測定装置30を用いる。なお、電気的構成は図3に示す第1実施の形態と同一である。その他第1実施の形態と同一の構成には同一番号を附し、その説明を省略する。この変位測定装置30の受光系31は、第1実施の形態で用いた結像レンズ8をアレイ状に構成した結像レンズアレイFAを有する。
【0054】
受光系31は、集光レンズアレイCAと結像レンズアレイFAと受光素子群Pで構成されている。集光レンズアレイCAは、第1実施の形態で示した集光レンズアレイ7と同一の構成であり、互いに等しい焦点距離f1(例えば20mm)を有する複数(n個)の集光レンズ部CA1〜CAnが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。
【0055】
各集光レンズCA1〜CAnは、投光系2から照射される照射光の走査幅寸法(例えば30mm)内にn数個並ぶように、少なくともその並列方向(走査方向)に沿ったレンズの幅dが照射光の走査幅寸法(例えば30mm)より短い(例えば5mm)略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズCA1〜CAnは、その光軸に直交する面が球面状に形成されたレンズとなっている。すなわち、各集光レンズ部CA1〜CAnは、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各光軸はそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。
【0056】
集光レンズアレイCAは、各集光レンズCA1〜CAnの光軸が測定対象物10の表面10a上に走査される照射点P(移動軌跡PL)と交わるように配置されている。集光レンズアレイCAは照射点P(移動軌跡PL)から焦点距離f1離れた位置に配置されている。
【0057】
結像レンズアレイFAは、複数(m個)の結像レンズFA1〜FAmを集光レンズアレイCAと同様、走査方向にアレイ状に連続させたレンズアレイである。なお、図面の制約上、図10では2個となっている。各結像レンズ部FA1〜FAmは入射光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各結像レンズFA1〜FAmは、その各光軸がそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。各結像レンズFA1〜FAmは、所定数の集光レンズ(図1及び図2では6個)CA1〜CA6に対応して対向配置される。結像レンズアレイFAは、集光レンズアレイCAからの測定光を収束して、受光素子群PAへ出射する。
【0058】
受光素子群PAは、結像レンズFA1〜FAmと同数(m個)の受光素子PA1〜PAmで構成されている。各受光素子PA1〜PAmはそれぞれ各結像レンズFA1〜FAmに対応しており、それぞれ焦点距離f2離れた位置に配置されている。
【0059】
各受光素子PA1〜PAmは、図10,図11に示すように、照射点Pからの測定光が結像される受光面PAaを有する。各受光素子PA1〜PAmの縦方向の両端縁には、それぞれ電極が設けられている。これらの電極からは、それぞれ結像点Kの位置に応じた電流が出力される。
【0060】
次に、本実施の形態の受光系を用いて変位測定を行うと、校正モード時においては、図12に示すような偏差が得られる。ここで、tは各1つの集光レンズCA1〜CAnの幅dに対応し走査時に通過する時間に相当する。この偏差は、集光レンズアレイCAの各集光レンズCA1〜CAn毎に焦点距離f1が異なっていたり、組み立て時における集光レンズアレイCAの設置位置,方向のばらつき等により生じる。更に、結像レンズアレイPAの各結像レンズFA1〜FAm毎に焦点距離f2が異なっていたり、組み立て時における結像レンズアレイPAの設置位置,方向のばらつき等による偏差が含まれている。図12では、集光レンズCA6とCA7との間に相当する偏差には、結像レンズFA1とFA2との間の偏差が含まれている。
【0061】
したがって、図4のST4と同様、各受光素子PA1〜PAmの両端に設けられる電極からこの偏差に対応する電流信号が変位演算手段21に入力されて変位演算処理され、校正用変位信号D1として偏差検出手段25に出力される。その後の校正モードの処理及び測定モードの処理は第1実施の形態と同様である。
【0062】
【発明の効果】
本発明の変位測定装置によれば、受光系に集光レンズアレイや結像レンズアレイを用いた場合に生じる受光素子の受光面での結像点の偏差を解消することができるようになり、集光レンズアレイや結像レンズアレイを用いて高精度な変位測定を可能にできる効果がある。
この集光レンズアレイ及び結像レンズアレイは、成形加工時のばらつき、及び装置内での設置固定状態のばらつきで前記偏差を生じるが、これらの要因を有し成形加工精度や組み立て状態が粗くても電気的処理で偏差を解消して高精度な変位測定が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の変位測定装置の概略を示す斜視図である。
【図2】同側面図である。
【図3】変位測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図4】本発明による変位測定装置の校正モード時のフローチャートである。
【図5】校正モード時における装置の設置状態を示す正面図である。
【図6】同側面図である。
【図7】本発明による変位測定装置の校正モードで検出された偏差を表す図である。
【図8】測定対象物の測定モード時のフローチャートである。
【図9】レンズアレイで生じる偏差解消のための処理を説明する図である。
【図10】本発明の第2実施の形態の変位測定装置の概略を示す斜視図である。
【図11】同上面図である。
【図12】第2実施形態の変位測定装置の校正モードで検出された偏差を表す図である。
【図13】従来の変位測定装置の概略図である。
【図14】従来の走査型の変位測定装置の概略斜視図である。
【図15】従来のレンズアレイを用いた走査型の変位測定装置の概略斜視図である。
【図16】同側面図である。
【符号の説明】
1…変位測定装置
5,CA…集光レンズアレイ
5a〜5f,CA1〜CAn…集光レンズ
6,PA1〜PAm…受光素子
6a…受光面
PA…受光素子群
7,FA1〜FAm…結像レンズ
FA…結像レンズアレイ
10a…測定対象面
K…結像点
21…変位演算手段
22…走査開始検出手段
23…計数手段
24…処理手段
25…偏差検出手段
26…変位補正手段
27…補正値記憶手段
Claims (9)
- 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズと、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。 - 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと前記結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。 - 前記処理手段は、前記結像点の偏差を、基準対象物を用いて検出する偏差検出手段と、
前記偏差検出手段で検出された偏差を補正データとして格納保持する補正値記憶手段と、
測定対象面の変位量の測定時に前記補正値記憶手段に格納された補正データに基づき前記変位演算手段から出力された変位量を補正演算して出力する変位補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の変位測定装置。 - 前記照射点が走査される都度走査開始信号を出力する走査開始検出手段と、
前記走査開始検出手段の走査開始信号に基づき、現在の照射点の走査位置を計数する計数手段とを備え、
前記偏差検出手段は、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に前記検出された偏差を対応づけ補正データとして補正値記憶手段に格納保持させ、
前記変位補正手段は、前記変位演算手段から出力された変位量の信号を、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に対応する補正データを前記補正値記憶手段から読み出し補正演算して出力する請求項3記載の変位測定装置。 - 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
前記測定対象面での照射光の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする変位測定装置。 - 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記測定対象面での照射点の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記各受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする変位測定装置。 - 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させて、受光素子の受光面上に結像点を形成させることにより、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする変位測定方法。 - 測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させ、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射光の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成される結像レンズアレイにより前記結像レンズごと構成される受光素子群の各受光素子の受光面上に結像点を形成させて、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記各受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする変位測定方法。 - 前記照射点の走査位置を、走査開始点を起点として時間を計数することにより刻時検出して前記偏差の検出用、及び前記補正演算用として用いる請求項7又は8のいずれかに記載の変位測定方法。
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